电泵井采油注水一体化管柱研制与应用

2013-01-12彭银华黄志强邱成松赵普春郭忠良

石油矿场机械 2013年7期

李琴，彭银华，黄志强，邱成松，彭云，赵普春，郭忠良

（1.西南石油大学机电工程学院，成都610500；2.中石化西北油气田分公司塔河油田，乌鲁木齐830002）

塔河油田是我国最大的古生界碳酸盐岩整装油田，油藏埋深度5 300～6 600m，属于超深碳酸盐岩岩溶缝——洞型复合油气藏，储层主要为高角度风化裂缝和构造裂缝、溶蚀孔洞及大型溶洞，基质基本不具备储渗能力，井间连通性差，大多数井井间不连通，为单井控制的封闭油藏［1－2］。其主力产层主要集中在风化壳以下近3 000m内，油水关系极其复杂，原油主要为黏度大于100 000mPa·s（50℃）的稠油［3］。塔河油田的油藏特征、油品特性等因素造成油井生产工艺复杂，举升难度大，在生产过程中需从油套环空掺入稀油来降低原油黏度［4］；在地层能量不足时，又需通过注水替油来补充地层能量，提高油井产能。原电泵管柱由于存在3个问题，难以满足油井掺稀生产和注水替油工艺的需要。

1）原电泵管柱结构不合理，造成环空掺入的稀油与稠油混合效果差，造成原油入泵黏度高，增加了电机载荷，影响电机使用寿命，缩短检泵周期。

2）只能进行环空注水，使得注入水与电缆直接接触，注入水中的微小悬浮颗粒在高压作用下，对电缆保护层及铠皮形成冲蚀作用，损坏电缆，缩短电缆寿命。

3）油井进行环空注水时，由于过电缆井口置承压能力较低，一般不超过15MPa，使得反注水的注水压力达不到理想注水压力，影响油井注水替油效果。

针对以上问题，研制出一种适用于塔河油田稠油开采的电泵井采油注水一体化管柱。该管柱通过提高掺稀混合效果，减低了原油黏度，延长电机使用寿命；通过实现正注水，避开了注入水与电缆的接触，避免了注入水对电缆的损坏；同时正注水还可提高注水压力，提高油井注水效果。

1 一体化管柱结构和工艺原理

1.1 管柱结构

新型电泵井采油注水一体化管柱主要由油管、自主研发的井下开关阀、离心泵、电机、导流罩、筛管和混配器等组成，结构如图1所示。在原电泵管柱的基础上，在离心泵上端接入了自主研制的井下开关阀，用以实现正注水；在电机外侧安装了导流罩，并在导流罩下端依次连接混配器、特制筛管、丝堵等，用以提高掺稀混合效果。

图1 电泵井采油注水一体化管柱及井下开关阀

1.2 工艺原理

塔河油田由于其油藏及原油特性，与常规油藏相比，要求电泵管柱在生产过程中必须能够进行掺稀生产、注水替油及正循环洗井3种工艺。研制的新型采油注水一体化管柱可在不动管柱的情况完成以上工艺。

1.2.1 掺稀生产

在进行掺稀生产时，井下开关阀处于上下连通状态，如图1b所示。稀油从油套环空掺入，并与原油一同从筛管进入，依次通过混配器和加长型导流罩，进入离心泵，实现掺稀混配和稠油举升。

其中特制筛管长度为9～15m，可保证在掺稀压力出现波动的情况下，始终保持稠油与稀油之间的接触面在筛管长度范围内，避免了原管柱中离心泵在压力出现波动时，全部吸入稠油或全部吸入稀油的情况发生。筛管上部的混配器［5］则可对吸入的稠油和稀油进一步进行搅拌，提高混合效果，最大程度地降低原油入泵黏度。同时，导流罩减小了电机周围流体的过流面积，提高了流体速度，相比原电泵管柱，电机散热效果更好，保证了电机的正常运行［6］。

1.2.2 注水替油

在地层能量发生亏空需要注水时，一体化管柱可采用正注水的方式，即从油管内进行注水。实施步骤：首先从井口向油管内投入专用堵塞器，在堵塞器到位后，再通过油管柱向油管注水；由于堵塞器关闭了井下开关阀的向下通道，在注水压力达到开关阀的启动压力后，弹簧被压缩，关闭套向下移动，阀体上的注水孔打开，使得油管与环空联通，实现正注水，如图1c所示。

由于新型电泵井一体化管柱采用油管内注水，与原管柱从环空注水相比，注水压力得到大幅提高，由原来的井口最大压力15MPa可提高到30MPa以上，更大限度地满足了底层对注水压力的要求。另一方面，从管柱内进行注水还可避开注入水与电缆的接触，减少注入水对电缆的损坏，提高电缆使用寿命。

1.2.3 正循环洗井

生产过程中，在发生稠油上返造成堵泵的情况时，需进行正循环洗井。一体化管柱仅在注水时投入堵塞器，在注水完成后即从管柱中打捞出来，上下通道畅通，可进行正循环洗井作业。

2 关键技术

2.1 井下开关阀

在调研分析国内外相关井下工具的基础上［7－10］，自主研制了适用于电潜泵稠油开采的井下开关阀。井下开关阀主要由壳体和阀心总成2部分组成。壳体由上下接头、阀体、密封等组成；阀心总成由堵塞器、关闭套、弹簧、调节螺母等组成，结构如图2所示。相关参数如表1所示，可满足现场应用要求。

图2 井下开关阀结构

表1 井下开关阀参数

井下开关阀具有5个特点：

1）可根据需要，通过投捞堵塞器选择性地控制油管柱上、下通道和旁通道，实现1趟管柱完成掺稀生产、正注水及正循环洗井3种工艺。

2）堵塞器可直接从井口投入，免去了下钢丝绳，施工工艺简单可靠。

3）调节螺母可调节弹簧预紧力，改变井下开关阀的启动压力，适用于不同油井工况。

4）堵塞器前端设计了橡胶头，避免堵塞器下落的冲击力对关闭套密封锥面造成损伤。

5）在进行正注水时，堵塞器关闭了向下通道，阻止注水进入离心泵，避免叶轮反转损坏电泵。

2.2 混配器

混配器是一种提高液体混合效果的井下工具，其结构特点为：中心轴上带有可转动的叶片，叶片可由井筒内流体带动旋转，从而搅拌流体，达到提高混合效果的目的。流体通过混配器后，混合效果如图3所示。

由图3可以看出：在稠油与稀油按照0.4︰0.6比例从混配器左边掺入后，经叶片搅拌，稀油体积分数发生变化，稀油体积分数由原来的60%增大到70%以上，改善了稀油与稠油的混合效果。

图3 混配器内轴向稀油体积分数云图

2.3 筛管

一体化管柱中，筛管［11］按照特定开孔方式和比例设计，可提高掺稀混合效果、防止因掺稀压力波动造成稠油入泵。其总长度一般在15～30m，可根据油井情况下入不同长度筛管。数值模拟分析结果如图4所示。

图4 筛管稠油稀油体积分数云图

图4 中井筒下部深色区域代表稠油，上部环空中浅色区域代表稀油。由图4可以看出：未安装筛管时（如图4a），油管柱中的颜色深度虽有所变浅，但整体变化不大，说明在混合油中稀油所占的体积分数小，稀油与稠油的混合效果较差；安装筛管后（如图4b），油管柱中混合物颜色从下至上逐渐变浅，说明稀油体积分数逐渐增加，管柱中稀油体积分数最终达到65%左右。

以上分析表明：在相同条件下，安装筛管后管柱中稠油稀油混合效果明显提高，更有利于降低井筒中稠油黏度。